大爆炸前宇宙是否永恒存在？

如果宇宙是設計好的，設計師就是“道”。

正如所有的大問題一樣，宇宙的起源問題很難回答。宇宙是一直存在的嗎？近些年來，物理學中的一些大牛為此爭論不休，有些認為無論我們回溯多久，宇宙都一直存在，還有一些人則持相反意見，認為一定有什么事件發(fā)生，導致了宇宙的創(chuàng)生。雙方都聲稱，觀測證據(jù)支持自己的看法，所以定論似乎一直都遙不可及。

宇宙探測之眼

但是2012年年初，宇宙學家亞歷克斯?維連金(Alex Vilenkin)和奧德麗?米薩尼(Audrey Mithani)聲稱，他們結(jié)束了這場爭論。他們發(fā)現(xiàn)了宇宙不可能一直存在的原因。不過大自然總是有予有奪，盡管宇宙必定存在一個開始，但其肇始的真相可能已經(jīng)迷失在了時間的迷霧之中。

現(xiàn)代宇宙學始于1916年，當時愛因斯坦將他新建立的引力理論——廣義相對論，應用于他能想到的最大引力質(zhì)量——整個宇宙。像牛頓一樣，愛因斯坦偏愛一個不變的宇宙，一個永恒存在從而無始無終的宇宙。要想得到這樣的宇宙，愛因斯坦意識到，為了抵抗使宇宙萬物相互吸引靠近的引力，空間本身必須存在一種怪異的排斥。

不幸的是，愛因斯坦的靜態(tài)宇宙仍然不穩(wěn)定。就像英國物理學家阿瑟愛丁頓(Arthur Eddington)后來指出的，這樣的宇宙乃是平衡在無限膨脹和無限收縮間的刀鋒之上。進一步的撼動來自于1929年，美國天文學家埃德溫哈勃(Edwin Hubble)觀察到，星系如一個個宇宙飛鏢般相互遠離，結(jié)論是我們的宇宙正在膨脹。

但是如果宇宙正在膨脹，一個自然而然的推論就是，它過去一定比現(xiàn)在小。如果我們?nèi)绱艘宦贩囱菹氯?，最終在某個很早的時刻，所有物質(zhì)擠壓在一個極小的體積中——這就是大爆炸。

宇宙大爆炸

由此發(fā)展出的大爆炸理論，描述了宇宙自一個極熱、致密的狀態(tài)演化到今天的過程，但對于是什么導致了大爆炸，這個理論只字未提。這一直是一個懸而未決的問題，大爆炸之前究竟發(fā)生了什么？宇宙真的存在一個開端嗎？

可以想見，在這種情況下，對永恒宇宙理論的呼聲越來越高，主要就在于它能避免諸如起源之前這樣的尷尬問題。1948年，弗雷德霍伊爾(Fred Hoyle)、赫爾曼?龐蒂(Hermann Bondi)和湯米?戈爾德(Tommy Gold)提出，隨著宇宙的膨脹，星系間的空隙中不斷噴涌出新的物質(zhì)，進而形成新的星系。在這幅穩(wěn)恒態(tài)宇宙圖像中，今天的宇宙與過去并無二致，而且未來也是如此。宇宙無始無生，歷永恒而存在。

宇宙的進化

然而，穩(wěn)恒態(tài)宇宙理論受到兩個觀測結(jié)果的夾擊。其一是20世紀60年代發(fā)現(xiàn)，深空宇宙圖像反映出來的早期宇宙與今天的宇宙不同；其二是1964年發(fā)現(xiàn)的大爆炸火球的余燼——宇宙微波背景輻射。近些年，美國國家航空航天局(NASA)的威爾金森微波背景各向異性探測衛(wèi)星(WMAP)又對宇宙背景輻射進行了細致的測量，表明大爆炸發(fā)生的時間是137億年之前。

永恒的裂痕

對穩(wěn)恒態(tài)宇宙的進一步質(zhì)疑來自理論分析。上世紀60年代，羅杰?彭羅斯(Roger Penrose)和史蒂芬?霍金(Stephen Hawking)還是英國劍橋大學的兩個搞理論的年輕小伙兒。他們的工作表明，如果你將宇宙的膨脹進行反演，最終不可避免會達到一個點。

這個點被稱為奇點(singularity)，因為諸如密度和溫度這樣的物理參數(shù)，在這一點會直逼無窮。更糟糕的是，物理學在此分崩離析，我們無法預言奇點背后有些什么。按照彭羅斯和霍金的理論，大爆炸是宇宙確確實實的開端。

那么，故事結(jié)束了嗎？當然沒有。后來的研究發(fā)現(xiàn)，彭羅斯和霍金的奇點理論中隱藏著一個缺陷。按照牛頓理論，物體的引力大小只取決于質(zhì)量，愛因斯坦的洞見則昭示出，引力還依賴于物體的能量密度及其內(nèi)部壓力。

浩瀚的宇宙未知究竟有多少

后者至關重要，因為在推導他們的理論時，彭羅斯和霍金假設空間的壓力一直很小，而且始終是正值。但要是這個假設不成立呢？“僅此一點就打開了通向各種現(xiàn)代宇宙學理論的大門，它們壓根不把大爆炸視為宇宙開端，”維連金說，“首當其沖的就是暴漲(inflation)理論。”

宇宙或許就像一片永恒沸騰的海洋，每一處都不斷有氣泡出現(xiàn)和擴張，而我們就處在一個137億年前產(chǎn)生的大氣泡中。

在維連金參與創(chuàng)建的這個理論中，暴漲始于一個具有異常高能量的真空態(tài)，并且具有負壓力。這兩個特點賦予真空以排斥引力，使物質(zhì)分離而非吸聚。這使得真空進一步膨脹，從而斥力更大，由此暴漲愈演愈烈。

但是暴漲的真空本質(zhì)上是量子的，因此并不穩(wěn)定。隨處都有小塊真空隨機衰變成普通的真空。你可以將暴漲真空想象成一個正在沸騰的海洋，每一處都不斷有氣泡出現(xiàn)和擴張。暴漲真空的能量必須要有個去處，它們最終轉(zhuǎn)變成物質(zhì)，又將每個泡泡中的物質(zhì)加熱到地獄般的高溫，由此制造出一個個大爆炸。我們的宇宙就處在這樣一個由137億年前的一場大爆炸產(chǎn)生的泡泡之中。

暴漲的一個迷人特征就在于，它是永恒的。高能真空產(chǎn)生的速度比衰減到普通真空所帶來的蠶食要快得多，這就意味著，暴漲一旦開始，就永遠不會停止，宇宙會一直沸騰下去。由于永恒暴漲避免了令人沮喪的奇點，因此宇宙有可能自無窮久遠以來就一直維持著這樣的沸騰狀態(tài)。

宇宙膨脹也是科學家們探討的問題

暴漲與我們今天所有的觀測都不矛盾，維連金相當確信，該理論的核心是正確的。不過永恒暴漲也面臨一個問題。2003年，維連金與紐約南安普頓大學的阿爾溫德博爾德(Arvind Borde)和暴漲理論先驅(qū)、麻省理工學院的阿蘭古斯(Alan Guth)合作時，首先發(fā)現(xiàn)了這個問題。

在不對能量和引力做任何假設的前提下，他們計算了宇宙演化的過程。唯一的假設是，平均而言宇宙是膨脹的。“令我們驚訝的是，在宇宙各種可能的過去當中，大多數(shù)時空都不會一直持續(xù)到永遠，”維連金說，“暴漲必定有一個開端。”

不過暴漲也只是逐鹿群雄之一，其它的宇宙圖景是不是也必定包含一個開端呢？2012年年初，維連金和他在塔夫斯大學的同事奧德麗米薩尼合作，對另外兩種有代表性的宇宙學圖景進行了檢驗。

第一個圖景是在弦論中發(fā)展起來的“循環(huán)宇宙”，由加拿大圓周理論物理研究所的尼爾 圖羅克(Neil Turok)和普林斯頓大學的保爾 斯坦哈特(Paul Steinhardt)提出。

隨著科學的不斷進步，一些更為細微的理論不斷被發(fā)現(xiàn)。

在這幅圖景中，我們的宇宙是鑲嵌在更高維空間中的一個四維島嶼，或者說四維的“膜”。它與第二張膜頻繁碰撞。你可以將這兩張膜想象成兩片相互平行的面包片，在第五維相互靠近，然后穿過對方，分開一段距離，接著又互相靠近。每當這兩片膜接觸，它們沿著第五維的巨大動能就轉(zhuǎn)化成物質(zhì)，并隨之將其加熱到極高的溫度。在生活在其中一張膜上的觀測者看來，這與一場大爆炸無異，而且能形成與今天的宇宙一樣的微波背景輻射和星系分布圖案。不過這是沒有開端的大爆炸，因為這兩張膜永遠都處于碰撞循環(huán)之中。

宇宙或許是高維空間中的兩張四維膜，相互碰撞時就會產(chǎn)生我們所說的大爆炸。

然而，維連金和米薩尼已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，循環(huán)宇宙不可能永無止境地向未來和過去延伸，因為在該理論中，每循環(huán)一次，膜就會膨脹一些，這意味著博爾德－古斯－維連金的開端判定理論仍然適用。維連金說，“如果你像電影倒帶一樣反轉(zhuǎn)這一過程，循環(huán)宇宙要么會碰到一個奇點，要么就會有一個類似暴漲的開端。”

宇宙還在不斷的演變

維連金和米薩尼考察的另一個宇宙學圖景，比循環(huán)宇宙和暴漲理論更為怪異，那就是南非開普敦大學的喬治埃利斯(George Ellis)和英國樸茨茅斯大學的羅伊?馬爾滕斯(Roy Maartens)設想出來的“涌現(xiàn)宇宙”(emergent universe)。它從一個很小的靜態(tài)宇宙開始，這個宇宙已經(jīng)存在了無限時間，直到某個時刻突然被觸發(fā)而開始暴漲。弦論中的確會出現(xiàn)同樣的情況，所以它并非完全是空穴來風，但用維連金的話說，“它多少有些劍走偏鋒” 。

要用模型描述一個從永恒午睡中突然醒來的宇宙，可不那么簡單。就像愛因斯坦的靜態(tài)宇宙因為不穩(wěn)定而要用宇宙排斥來調(diào)和一樣，埃利斯和馬爾滕斯必須用兩味怪異的調(diào)料來穩(wěn)定他們的涌現(xiàn)宇宙：具有負能量的真空，還有被稱為疇壁(domain wall)的時空中的假想線。疇壁是粒子物理學中某些模型所具有的性質(zhì)，能在宇宙微波背景輻射中留下印痕，目前還沒有觀察到這樣的印痕，但這也可以解釋成印痕被暴漲抹平了。

自發(fā)塌縮

維連金和米薩尼對埃利斯和馬爾滕斯的做法不以為然。“表面上看起來，他們調(diào)節(jié)出了一個穩(wěn)定的宇宙，”維連金批評道，“但是，我們發(fā)現(xiàn)它僅在忽略量子效應時才穩(wěn)定。”

宇宙的永恒

按照量子理論，宇宙不可能永遠保持在最小尺寸，它有一定的概率會自發(fā)塌縮。“盡管這個概率非常非常小，但由于暴漲前的時間是無窮的，因此再小的概率也必然會發(fā)生，”維連金解釋道，“換言之，如果我們生活在一個涌現(xiàn)宇宙中，它就不可能永恒存在過”。馬爾滕斯認為，這種量子不穩(wěn)定性“不無道理”，但是他認為這不一定就意味著宇宙必然有個開端。“這是一個很深刻的問題，需要一個成熟的量子引力理論才能解決，”馬爾滕斯說，“不幸的是，我們還沒有這樣的理論。”

不過維連金和米薩尼斷言，在現(xiàn)有物理學的框架內(nèi)，無論從什么角度來看我們的宇宙，它都不可能永恒存在過，因此開端是必然的。但它是如何開始的？在維連金看來，量子理論中包含著一個答案，因為量子理論允許東西從虛空中產(chǎn)生，那為什么就不能產(chǎn)生一個很小的宇宙，然后再開始暴漲、循環(huán)，或者沉寂很長時間后再突然暴漲呢？

我們現(xiàn)在能確定無疑宇宙必然有一個開端了嗎？還是說，這是一個信則有不信則無的理不清的循環(huán)？“有史以來，我們第一次擁有了能科學解答這個問題的各種工具”，維連金說，“所以我覺得我們正在逼近真相。”

各種猜測不斷涌出

不過觀測到這個終極起源的希望，正變得越來越渺茫。就在維連金和米薩尼發(fā)表他們的結(jié)果之后不久，美國斯坦福大學的倫納德薩斯坎德(Leonard Susskind)用兩篇文章進行了回應。在這兩篇文章中，薩斯坎德認為，即便宇宙確實存在一個開端，離現(xiàn)在也是久遠之極，以至于無論從任何實際角度來看，宇宙都像是永恒存在一般。

他給出的理由是，空間是指數(shù)暴漲的，隨著時間的流逝，真空的體積會變得極其龐大。如果有更多其他宇宙泡泡存在，我們稱之為宇宙的這個真空泡，就不太可能是早期形成的。因此真正的開端很可能遠到天荒地老，遠到不可能在我們這個宇宙中留下任何印記。薩斯坎德說：“我發(fā)現(xiàn)，宇宙必定有一個開端這種說法有些模棱兩可，但可以肯定的是，就算有，其時間之早也無可估量。”

維連金也承認這一點。“這可真諷刺，”他說，“宇宙必定有個開端，但我們永遠也無法弄清楚它究竟是如何開始的。

”

宇宙科學會涌現(xiàn)越來越多的驚奇

盡管如此，宇宙學家還有很多其他的大問題可以圍著團團轉(zhuǎn)。如果宇宙的開端來自量子效應，那么量子理論必定在宇宙開始之前就業(yè)已存在，于是問題來了：那量子理論又從何而來呢？“我們不知道，”維連金承認，“我認為這是一個完全不同的問題。”即便找到宇宙萌生的那一刻，我們會發(fā)現(xiàn)，很多問題真的才剛剛開始。

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